硬煤工作面煤壁破坏与防治机理.pdf

第 40 卷第 10 期煤炭学报Vol40No10 2015 年10 月 JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct2015 王家臣， 王兆会， 孔德中硬煤工作面煤壁破坏与防治机理 J 煤炭学报， 2015， 40 10 22432250doi 1013225/jcnkijccs2015 6013 Wang Jiachen， Wang Zhaohui， Kong DezhongFailure and prevention mechanism of coal wall in hard coal seam J Journal of China Coal Society， 2015， 40 10 22432250doi 1013225/jcnkijccs20156013 硬煤工作面煤壁破坏与防治机理 王家臣 1， 2， 王兆会1， 2， 孔德中1， 2 1中国矿业大学 北京资源与安全工程学院， 北京100083; 2放顶煤开采煤炭行业工程研究中心， 北京100083 摘要 高强度、 大采高开采条件下， 硬煤煤壁破坏的频率及程度逐渐严重， 为提高该类工作面煤壁 稳定性， 实现安全、 高效开采， 采用室内试验、 理论分析及现场实测综合手段对硬煤煤壁破坏形式、 发生机理及影响因素进行分析。软煤、 硬煤在单轴压缩条件下分别表现为静态、 动力破坏， 泊松比 不同是煤体出现不同破坏形态的内在原因， 三轴抗压试验表明围压可有效改变硬煤破坏的静动 转化; 将煤壁、 顶板及支架组成的平衡系统抽象出 2 种边界条件， 根据煤体弹模、 泊松比及边界条件 的不同提出压剪、 拉剪及拉裂 3 种煤壁破坏形式， 硬煤多发生后 2 种破坏形式; 推导出拉剪、 拉裂型 破坏的发生判据， 得到拉剪型破坏起裂角、 拉裂型破坏深度的确定方法及影响因素; 拉剪型破坏对 各影响因素的敏感度依次为黏聚力、 顶板压力、 支架阻力、 抗拉强度， 采高、 护帮板压力及护帮高度 对煤壁稳定性的影响不明显， 拉裂型破坏对各影响因素的敏感度依次为抗拉强度、 采高、 顶板压力、 支架阻力和控顶距等。 关键词 煤样实验; 破坏形态; 煤壁; 破坏机理; 控制原则 中图分类号 TD823文献标志码 A 文章编号 02539993 2015 10224308 收稿日期 20150815责任编辑 常 琛 基金项目 国家重点基础研究发展计划 973 资助项目 2013CB227903 ; 国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目 U1361209 ; 国家自 然科学基金面上资助项目 51574244 作者简介 王家臣 1963 ， 男， 黑龙江方正人， 教授， 博士生导师。Email wangjiachen vipsinacom Failure and prevention mechanism of coal wall in hard coal seam WANG Jia- chen1， 2， WANG Zhao- hui1， 2， KONG De- zhong1， 2 1Faculty of esource and Safety Engineering， China University of Mining Technology Beijing ， Beijing100083， China; 2Coal Industry Engineering e- search Center of Top- coal Caving Mining， Beijing100083， China Abstract Occurrence frequency and damage degree of coal wall failure become increasingly large in hard coal seam under high- intensity extraction with great cutting heightIn order to improve the stability of the coal wall in this condi- tion and achieve a safe and efficient mining， the laboratory test， theoretical analysis， numerical simulation and field measurement were used to analyze the type， failure mechanism and influence parameters of the hard coal wall failure The results show thathard coal tends to have dynamic failure and the stress- strain curve of hard coal sample belongs to Class II while soft coal tends to have static failureDifferent Poisson s ratio is the inside causes of different failure pattern of coal wallBalance system is composed of coal wall， roof and support shield and abstracted into two kinds of boundary conditionsCompression- shear， tensile- shear and tension failure of coal wall were put forward according to the elastic modulus， Poisson ratio and boundary conditions of coal wallThe failure of hard coal belongs to the latter two typesOccurrence condition of coal wall tensile- shear and tension failure was achieved， the determination ula and influences of initial cracking angle of tensile- shear failure and failure depth of tension failure were also analyzedTen- sile shear failure sensitivity to influential factors were cohesion， roof pressure， support resistance， tensile strength re- spectively while tension failure sensitivity to influential factors were tensile strength， cutting height， roof pressure， sup- 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 port resistance and face width Key words coal test; failure mode; coal wall; failure mechanism; control principle 煤壁破坏是影响采煤工作面高效推进的主要因 素之一。相对而言， 软煤层工作面煤壁破坏更加频繁 和严重， 但是随着大采高开采工艺的推广应用， 一些 硬煤工作面的煤壁破坏也频繁出现， 这会严重制约大 采高工作面潜能发挥， 影响高产高效 12 。 近年来对煤壁破坏机理和防治技术有许多研 究， 文献 3提出了煤壁破坏的拉裂、 剪切破坏 2 种形式， 给出了软煤层煤壁发生剪切破坏的条件， 提出减缓煤壁压力、 改变煤体性质等进行煤壁破 坏防治; 文献46结合实际工程等对影响煤壁 稳定性因素及控制技术进行了深入研究， 如调节 工作面推进速度、 采高及注浆等几种煤壁稳定性 控制措施， 以及提出了支架阻力确定的二元准则; 尹希文等8通过实测及数值模拟得到煤壁表面变 形特征及常见破坏形式， 将煤壁前方煤体视为条 柱压杆， 利用结构稳定性原理得到煤壁条柱失稳 条件; 袁永等910将片落煤体视为楔形体， 分析了 煤壁发生压剪破坏的条件及煤壁稳定性影响因 素; 方新秋等1112将剪切破坏面视为圆弧滑面分 析了煤壁压剪破坏条件， 依据煤壁稳定性影响因 素提出控制三原则， 并对木锚杆支护布置进行的 设计研究; 宁宇等1314分析了端面距对煤壁稳定 性的影响及煤壁破坏同顶板冒落之间的相互作用 关系。 以上研究成果多集中于煤壁发生剪切破坏的情 况， 虽然提出了煤壁存在拉裂破坏的思想， 但没有对 其发生条件及影响因素进行深入分析。大量工程实 践表明硬煤层在高强度开采条件下， 开挖卸荷后， 坚 硬煤壁同样不能保持自身稳定性， 容易发生拉剪、 拉 裂型破坏。同软煤工作面相比， 该类煤壁破坏存在片 帮煤体块度大、 突发性强、 伴随较大声响等特征， 甚至 出现煤块抛掷 动力破坏 现象， 危害程度高、 控制难 度大。为提高硬煤壁稳定性控制效果， 本文旨在分析 硬煤煤壁拉裂型煤壁破坏发生机理及影响因素， 进而 提出相应的控制措施。 1煤体破坏形式分析 煤体的硬度系数可由其单轴强度除 10 得到， 煤 体硬度系数3 时便不再建议采用放顶煤开采方 法 1 ， 但工程实践表明煤体硬度系数接近 3 时顶煤很 难破碎， 因此， 此处采取更为保守的原则， 认为煤体硬 度系数1 为软媒， 12 为中硬煤， 2 则为硬煤。为 得到软煤、 硬煤在不同应力路径下的破坏形式， 分别 在汾西新柳煤矿、 大同煤峪口煤矿采集煤样制作成 50 mm100 mm 的标准圆柱试件进行抗压试验。 不同煤样试件在单轴抗压试验中的应力应变 全过程曲线及破坏形式如图 1 所示。单轴试验中软 煤应力应变曲线可由峰前阶段圆滑过渡至峰后阶 段， 没有在峰值点发生突跳现象， 为典型的 I 类曲线， 煤样不会发生崩溃式破坏， 宏观破坏面为压剪型斜切 主裂纹， 翼裂纹发育程度高; 硬煤破坏时应力发生突 然跌落， 且存在弹性变形回弹现象， 局部表现为 II 类 破坏曲线， 达到峰值时煤样破坏不需外力做功， 贮存 于试件中的能量一部分转化为破坏煤块的初始动能， 导致硬煤破坏面法向张开度较大， 宏观破坏面表现出 劈裂破坏特征。 图 1煤样单轴应力应变曲线及破坏形式 Fig. 1Uniaxial stress- strain curves and failure types of coal sample 4422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期王家臣等 硬煤工作面煤壁破坏与防治机理 软煤、 硬煤应力应变曲线在峰值阶段出现明显 差异原因为变形参数不同导致单向加载过程中煤样 试件中应力状态出现明显差异。为分析其原因， 将煤 样试件下表面视为固定位移边界， 上表面施加载荷 q， 因摩擦效应产生剪应力 ， 如图 2 所示。 图 2单轴抗压简化模型 Fig. 2Simplified model of uniaxial compression 将煤样视为弹性体， 水平位移函数为关于 x 的奇 函数， 垂直位移为关于 x 的偶函数， 由最小势能原理 可得该条件下位移分量解析式为 ux 6 v2 1 c dqv E 2c2 v 1 d2 3v2 4 xy uy v2 1 2c 2q 2c2qv 4d2q 3cdv E 2c2 v 1 d2 3v2 4 y 1 式中， E 为煤体弹性模量， MPa; v 为煤体泊松比; q， 分别为煤体所受的正应力， 剪应力， MPa; c， d 分别为 煤样试件的半径和高度， m。 将平面应变条件下几何方程、 本构方程代入 式 1 可得轴向加载条件下， 水平应力表达式为 x 2c2q 2c2qv 4d2q 3cdv v 6y c dqv 2c2 1 v d2 4 3v2 2 由式 2 可知弹性条件下， 煤样中的水平应力同 弹性模量无关， 仅同泊松比有关， 取煤样试件尺寸 c 25 mm， d100 mm， 载荷 q50 MPa， 因摩擦产生的剪 应力取 30 MPa， 可得分布于煤样中上部 y90 mm 的水平应力同泊松比之间的关系曲线如图 3 所示。 图 3 中水平应力为正代表拉应力， 负值代表压应 力， 由曲线可知水平应力随泊松比变化存在拉压分界 点， 泊松比较大时， 煤样中为水平压应力， 随着泊松比 的减小， 煤样中会出现水平拉应力， 且泊松比越小， 拉 应力水平愈高。 软煤泊松比大， 轴向加载条件下水平应力仍为压 应力， 其破坏属于压剪破坏类型， 应力应变曲线可 图 3水平拉应力变化曲线 Fig. 3Change curves of horizontal tensile stress 由峰前光滑的过渡至峰后阶段; 硬煤泊松比小， 轴向 加载条件下会出现水平拉应力， 其破坏属于拉剪破坏 甚至会发生劈裂破坏， 应力应变曲线在峰值处出现 突跳现象， 煤体发生动力破坏。 三轴抗压试验中煤样试件应力应变曲线如图 4 所示 软煤应力应变曲线峰前至峰后仍为光滑过渡 形式， 体积应变、 横向应变在峰值处出现塑性变形平 台， 围压制约作用下， 硬煤应力应变曲线整体呈光 滑过渡形式， 体积应变、 横向应变在峰值处没有出现 塑性变形平台， 峰后变形曲线在局部仍然存在突跳现 象， 同单轴试验相比， 突跳次数明显减少， 随着围压增 大， 硬煤逐渐由拉剪 拉裂 破坏形式向压剪破坏形 式转变。 图 4煤样三轴抗压应力应变曲线 Fig. 4Triaxial stress- strain curves of coal sample 软、 硬煤样均表现出扩容现象， 整体破坏前软煤 试件的体积变形明显大于硬煤， 由以上分析可知两者 扩容机制不同， 前者因剪涨效应， 后者则为拉应力引 起的拉伸变形造成试件体积增大。 5422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 2煤壁破坏形式分析 工作面不同煤壁破坏形式实质是煤体不同破坏 形态的宏观表现， 抗压试验结果可知煤体破坏形态同 其自身变形参数、 强度参数及应力状态和边界条件相 关。煤层开挖后， 工作面前方煤体、 顶板及液压支架 形成的平衡系统如图 5 a 所示， 一次割煤高度增大， 基本顶破断岩块形成“砌体梁” 平衡结构的概率降 低， 通常形成悬臂梁结构， 为便于分析， 根据煤层同顶 板之间有无剪切错动将工作面前方煤体边界条件简 化为图 5 b ， c 所示的 2 种情况 若煤层同顶板岩 层之间的变形参数差异大， 开挖后煤层同顶板在接触 面位置不能协调变形， 进而出现剪切错动裂隙， 基本 顶对煤层的作用力简化为条形载荷 q 及剪应力 ; 若 煤体坚硬， 同顶板岩层变形参数差异小， 开挖后煤层 同顶板协调变形不会出现剪切错动裂隙， 煤层上表面 简化为水平位移恒等于 0 的位移边界。基本顶及直 接顶悬露部分和支架对煤壁的共同作用力简化为煤 壁上方的集中力 Q、 弯矩 M 及水平支护载荷 p， 其中 Q QA Q B F M 1 2 QAL1 Q BL2 FLk 3 式中， Q 为作用于煤壁上方的集中力， kN; QA为基本顶 悬顶部分重力， kN; QB为直接顶悬顶部分重力， kN; F 为支架阻力， kN; L1为基本顶悬顶距， m; Lk为支架控顶 距， m; M 为作用于煤壁上方弯矩， kNm。 图 5边界条件简化 Fig. 5Boundary conditions 沿工作面倾斜方向将煤壁破坏问题视为平面应 变问题， 同抗压试验中煤体不同破坏形式相对应， 软 煤泊松比大， 外载作用下产生横向压应力或低水平拉 应力， 同未完全释放的原岩应力叠加后， 煤体仍处于 双向受压状态， 破坏形式属于压剪型， 其应力状态及 破坏形态如图 6 a 所示; 硬煤泊松比小、 弹模大， 外 载作用下产生高水平拉应力， 同原岩应力叠加后煤体 处于单向受拉状态， 若煤层同顶板之间存在剪切错动 裂隙， 裂纹由上表面开始发育， 煤体应力状态及最终 破坏形式如图 6 b 所示， 属于拉剪型破坏; 若煤层同 顶板之间不存在剪切错动裂隙， 则煤体中出现的拉应 力水平更高， 当其值达到煤体抗拉强度时， 煤壁发生 拉裂型破坏， 其破坏形态如图 6 c 所示。 图 6煤壁破坏形式 Fig. 6Coal wall damage s 3硬煤破坏机理 3. 1拉剪型破坏发生条件 煤体破坏前产生的塑性变形很小， 且存在变形局 部集中化效应， 此处认为煤体破坏时仅局部剪切带内 发生塑性变形， 其余煤体仍保持弹性状态， 为便于分 析， 剪切带形状简化为直线， 设在剪切带内产生的速 度间断矢量为 v， 采用非关联流动法则， 煤体局部剪 切带内塑性应变增量与屈服面不正交， 速度间断矢量 与切线方向的夹角等于煤体剪胀角， 建立拉剪型煤壁 破坏力学分析模型如图 7 所示。 图 7拉剪破坏力学模型 Fig. 7Mechanical model of tensile- shear failure 根据极限定理可知， 若外载在可能破坏煤体滑动 速度矢量 v 上的功率大于 0， 且与煤体破坏时内部的 塑性耗散功率相等， 则此时的外载不小于煤壁的极限 承载能力。图中煤体处于单向受拉状态， 在拉应力 区， 煤体内部摩擦效应 内摩擦角 在抵抗外载作用 6422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期王家臣等 硬煤工作面煤壁破坏与防治机理 中不发挥作用， 仅煤体黏聚力及抗拉强度发挥作用， 为得到煤壁的极限承载能力， 认为煤体破坏时， 破坏 带内煤体黏聚力、 抗拉强度在抵抗外载时均达到峰 值， 则塑性破坏带内总的塑性耗散功率大小为 Pi Cvcos tvsin h/cos 4 式中， C 为煤体黏聚力， MPa; v 为破坏带内的速度间 断矢量， m/s; 为煤体剪胀角， ; t为煤体抗拉强 度， MPa; h 为煤壁破坏高度， m; 为煤壁破坏起裂 角， 。 该破坏形式下， 破坏煤体仅沿破坏带发生平动， 而不会发生转动， 弯矩 M 不做功， 由各外载及滑动块 体运动方向可得煤壁承受的外载在滑动速度矢量 v 上的总功率为 Po Gvv qhtan vv Qvvhtan vh phsvh 5 式中， G 为片落煤块的重力， kN; vv， vh分别为速度间 断矢量的垂直分量、 水平分量， vv vcos ， vh sin ， m/s; q 为顶板载荷， MPa; Q 为顶板悬臂段 对煤壁作用力， kN; fq 为摩擦产生的剪应力， MPa， 其中， f 为煤层顶板摩擦因数; p 为支架护帮板提供的 护帮载荷， MPa; hs为支架护帮高度， m。 将式 3 代入式 5 ， 并令煤体内部塑性功耗散 功率同外力对煤体做功功率相等， 则 Gvcos qhvtan cos QA QB F vcos fqhvtan sin phsvsin Cvcos tvsin h/cos 6 由式 6 可得煤壁所能承担的极限顶板载荷同 各影响因素之间的关系为 q Cvcos tvsin h/cos phsvsin Gvcos QA Q B F vcos / hvtan cos fhvtan sin 7 当坚硬煤壁实际承受的顶板压力达到式 7 计 算所得值时， 便会发生煤壁拉剪型破坏事故。为得到 使煤壁承载能力取得最小值的起裂角， 对式 7 求 导， 并令导数值等于 0， 即可求得最容易发生煤壁拉 剪型破坏事故的起裂角度 min同各影响因素之间的 关系曲线如图 8 所示。 图 8煤壁破坏起裂角变化曲线 Fig. 8Change curves of crack angle 起裂角非恒值， 随着采高、 煤体黏聚力、 抗拉强度 及悬露顶板重力的增大而减小， 随护帮板载荷、 护帮 高度及支架阻力的增大而增大。实际厚煤层开采过 程中， 依据工程地质条件得到煤壁最易破坏的起裂角 度， 进而得到破坏深度， 可为注浆孔布置优化提供理 论指导， 降低煤壁稳定性治理成本。 3. 2拉裂型破坏发生条件 若煤层硬度系数大， 同顶板之间无剪切错动裂 隙， 在顶底板岩层挤压和约束下， 煤层内出现高水平 横向拉应力分布形式， 当水平拉应力达到煤体抗拉强 度时， 便会发生图 6 c 所示的煤壁拉裂型破坏。建 立煤壁拉裂型破坏力学分析模型如图 9 所示。 为简化分析， 假设煤壁破坏块体为半椭圆， 煤壁 发生拉伸破坏， 仅在最大拉应力方向产生拉伸塑性变 形， 在其他方向始终保持弹性状态， 假设在滑移线上 产生的速度间断矢量大小为 v， 建立图 9 所示的坐标 系 XOY， 煤体破坏过程中则因拉伸塑性变形而产 生的塑性耗散总功率为间断线上各点功率沿圆弧 7422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 图 9拉裂型破坏力学模型 Fig. 9Mechanical model OAB 的曲线积分 Pi lOABtv x， y ds 2 2 0 tvs sin2 h 2 cos2 槡 dtv s h 2s 8 式中， 为同水平面的夹角， ; s 为拉裂型煤壁破坏 深度， m。 煤壁前方煤体上表面水平位移受到限制， 外载作 用下， 煤壁上表面会发生偏转， 即该破坏形式下， 作用 于煤壁之上的弯矩 M 也会做功， 由于滑移线上各点速 度间断矢量大小相等， B 点的垂直速度分量为 v， 假设 煤层上表面变形速度又固支处向自由面线性递减， 则 各点速度大小为 sx v/s， 煤层上表面转动速度为 v/L， 煤壁破坏时自由面 OB 处的变形速度大小同 A 点 相同为 v， 因此， 煤壁破坏瞬间， 外载做功功率为 P0 1 2 qvs Qv M v s pvhs 9 令煤壁破坏瞬间的外载功率同内部塑性耗散功 率相等， 则 1 2 qvs Qv M v s pvhstv s h 2s 10 由式 10 可得， 煤壁拉裂型破坏条件下， 坚硬煤 壁所能承受的极限顶板载荷为 q 2 s t s h 2s phs Q 2 s2 M 11 为得到使煤壁极限承载能力达到最小的煤壁破 坏深度， 对式 11 进行求导， 并令导数值等于 0， 可得 到最易破坏深度同各影响因素之间的关系为式 12 。将式 3 代入式 12 可知煤壁拉裂型破坏深 度同悬顶 直接顶、 基本顶 重力、 顶板悬臂长度呈正 比， 同支架阻力、 煤体抗拉强度、 采高、 护帮板支护力 及护帮高度呈反比。 s 2M/ th Q phs 12 3. 3煤壁破坏影响因素分析 由式 7 可以得到煤壁拉剪型破坏同各影响因 素之间的关系曲线如图 10 所示 煤壁极限承载能力 随着支架阻力、 煤体抗拉强度、 黏聚力、 护帮板载荷及 护帮高度的增大而升高， 随着悬露顶板重力、 采高的 增大而降低。由各曲线斜率可得各影响因素对煤壁 承载能力的影响程度依次为黏聚力悬露顶板重力 支架阻力抗拉强度， 采高、 护帮板载荷、 护帮高度对 煤壁承载能力的影响不明显。 图 10煤壁拉剪型破坏影响因素 Fig. 10Influence factor of tensile- shear failure 8422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期王家臣等 硬煤工作面煤壁破坏与防治机理 由式 11 可以得到如图 11 所示的曲线 该条件 下坚硬煤壁极限承载能力随着支架阻力、 煤体抗拉强 度、 采高、 护帮板载荷及控顶距的增大而升高， 随悬露 顶板重力及顶板悬露长度增大而降低。各影响因素 对煤壁极限承载能力的影响程度依次为抗拉强度 采高顶板压力支架阻力控顶距护帮板载荷。 图 11煤壁拉裂型破坏影响因素 Fig. 11Influence factor of tensile failure 4大采高煤壁柔性加固工程应用 由以上分析可知 坚硬煤壁破坏的防治最佳措施 是提高工作面煤体的抗拉强度。传统煤壁加固技术， 存在延伸量较小、 支护强度低、 支护效果差、 成本高、 抗剪能力差、 浆液流动不可控、 影响煤质等问题， 因 此， 采用煤壁柔性加固技术提高煤壁稳定性。煤壁柔 性加固机理是通过浆液使具有一定刚度和伸长率的 棕绳很好的附着在煤体内， 形成全长锚固， 实现对煤 体加固。 某矿 11050 大采高工作面主采二1煤层， 平均倾 角 6， 平均厚度 6. 3 m， 煤体抗压强度在 18. 7 38. 06 MPa， 属于硬煤， 煤层赋存具有埋藏深度大、 基 岩薄、 底板高承压水、 横向层理发育等特点。工作面 长 180 m， 采用一次采全高回采工艺。工作面自开切 眼推进， 煤壁及顶板破碎严重， 煤壁破坏长度累计达 工作面长度的 30以上， 遇地质构造带达 50左右， 片落煤体破坏面表现出明显劈裂破坏特征， 块度大， 甚至存在一定的启动速度， 严重威胁人员和设备安全 及工作面安全快速推进。 为治理煤壁破坏和冒顶事故， 提高围岩稳定性， 对坚硬煤壁横向层理发育、 受构造断层影响地段进行 “棕绳注浆” 柔性加固技术 6 。采用地质钻机打孔， 严格控制钻孔角度和深度， 柔性加固材料棕绳和注浆 管捆绑后伸入钻孔， 并把棕绳一端固定在钻孔孔底， 给棕绳的另一端施加拉力， 使其释放掉一定的初始变 形， 提高对煤壁变形的抑制能力。采用 ZBQ5/12 型 注浆泵进行注浆， 注浆压力达 38 MPa; 为保证浆液 充分扩散并且防止漏浆， 注浆孔外用纱布等将孔口堵 严。 实践证明 “棕绳注浆” 加固对煤壁拉伸破坏起 到有效抑制作用， 注浆后沿倾斜方向煤壁破坏长度减 少至工作面总长度的 8， 约减少了原破坏范围的 75， 且没有发生大范围的煤壁破坏现象， 破坏深度 和破坏煤体块度均明显减小， 煤壁稳定性得到提高， 保证了大采高工作面的安全快速推进， 提高了开机 率。 5结论 1 单轴抗压条件下， 软煤表现为静力破坏、 硬 煤趋于动力破坏， 小泊松比导致的横向拉应力是软 煤、 硬煤出现不同破坏形式的内在原因， 围压可以有 效控制煤体破坏的脆延转化， 使硬煤由动力破坏转 变为静力破坏。 2 根据顶板同煤层的不同接触形态将顶板、 煤 壁及支架形成的平衡系统模型简化为 2 种边界条件， 由煤体物理参数、 应力状态及边界条件的不同提出压 剪、 拉剪及拉裂 3 种煤壁破坏形式， 硬煤破坏属于后 9422 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 两者。 3 建立煤壁拉剪型、 拉裂型破坏的力学分析模 型， 分别得到决定两种煤壁破坏事故能否发生的煤壁 极限承载能力， 进而得到煤壁拉剪型破坏的起裂角度 及拉裂型片帮深度表达式及影响因素， 为煤壁破坏防 治工艺优化提供理论基础。 4 对 2 种煤壁破坏形式影响因素进行敏感度 分析 各因素对煤壁拉剪型破坏的影响程度依次为黏 聚力、 顶板压力、 支架阻力、 抗拉强度， 采高、 护帮板载 荷、 护帮高度对煤壁承载能力的影响不明显; 对煤壁 拉裂型破坏的影响程度依次为抗拉强度、 采高、 顶板 压力、 支架阻力、 控顶距、 护帮板载荷。 参考文献 1王家臣厚煤层开采理论与技术M 北京 冶金工业出版社， 2009 3034 2王家臣， 我国综放开采技术及其深层次发展问题探讨J煤炭 科学技术， 2005， 35 1 1417 Wang JiachenFully mechanized long wall top- coal caving technology in China and discussion on issues of future developmentJ Coal Science and Technology， 2005， 35 1 1417 3王家臣极软厚煤层煤壁片帮与防治机理J 煤炭学报， 2007， 32 8 785788 Wang Jiachen Mechanism of the rib spalling and the controlling in the very soft coal seamJ Journal of China Coal Society， 2007， 32 8 785788 4王家臣， 杨印朝， 孔德中， 等含夹矸厚煤层大采高仰采煤壁片帮 机理与注浆加固技术J 采矿与安全工程学报， 2014， 31 6 831837 Wang Jiachen， Yang Yinchao， Kong Dezhong， et alFailure mecha- nismandgroutingreinforcementtechniqueoflargemining height coal wall in thick coal seam with dirt band during topple min- ingJJournal of Mining Safety Engineering， 2014， 31 6 831 837 5王家臣， 王蕾， 郭尧基于顶板与煤壁控制的支架阻力的确 定J煤炭学报， 2014， 39 8 16191624 Wang Jiachen， Wang Lei， Guo YaoDetermining the support capacity based on roof and coal wall control J Journal of China Coal Socie- ty， 2014， 39 8 16191624 6杨胜利， 孔德中大采高煤壁片帮防治柔性加固机理与应用J 煤炭学报， 2015， 40 6 13611367 Yang Shengli， Kong DezhongFlexible reinforcement mechanism and its application in the control of spalling at large mining height coal faceJJournal of China Coal Society， 2015， 40 6 13611367 7王兆会， 杨敬虎， 孟浩 大采高工作面过断层构造煤壁片帮机 理及控制J 煤炭学报， 2015， 40 10 4249 Wang Zhaohui， Yang Jinghu， Meng Hao Mechanism and control- ling technology of rib spalling in mining face with large cut- ting height passing through fault J Journal of China Coal Society， 2015， 40 10 4249 8尹希文， 闫少宏， 安宇 大采高综采面煤壁片帮特征分析与应 用J采矿与安全工程学报， 2008， 25 2 222225 Yin Xiwen， Yan Shaohong， An Yu Characters of the rib spalling in fully mechanized caving face with great mining heightJJournal of Mining Safety Engineering， 2008， 25 2 222225 9Yuan Yong， Tu Shihao， Wu Qi， et al Mechanics of rib spelling of high coal walls under fully mechanized miningJMining Sci- ence and Technology， 2011， 21 1 129133 10袁永， 屠世浩， 马小涛， 等 “三软” 大采高综采面煤壁稳定性 及其控制研究J采矿与安全工程学报， 2012， 29 1 2225 Yuan Yong， Tu Shihao， Ma Xiaotao， et al Coal wall stability of fully mechanized working face with great mining height in“three soft”coal seam and its control technologyJJournal of Mining Safety Engineering， 2012， 29 1 2225 11方新秋， 钱鸣高， 曹胜根， 等综放开采不同顶煤端面顶板稳定 性及其控制J中国矿业大学学报， 2002， 31 1 6974 Fang Xinqiu，QianMinggao，CaoShenggen，etal esearch on tip- to- face roof stability and its control for different hard- ness coals in fully mechanized top coal caving miningJJournal of China University of Mining Technology， 2002， 31 1 6974 12方新秋， 何杰， 李海潮软煤综放面煤壁片帮机理及防治研究 J中国矿业大学学报， 2009， 38 5 640644 Fang Xinqiu， He Jie， Li HaichaoA study of the rib fall mechanism in soft coal and its control at a fully mechanized top coal caving face JJournal of China University of Mining Technology， 2009， 38 5 640644 13宁宇大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术J煤炭学 报， 2009， 34 1 5052 Ning YuMechanism and control technique of the rib spalling in fully mechanized mining face with great mining heightJJou